Monte Carlo (MC) simulations can be used to accurately simulate dose and linear energy transfers (LET) distributions, thereby allowing for the calculation of the relative biological effectiveness (RBE) of protons. We present hereby the validation and implementation of a workflow for the Monte Carlo modelling of the double scattered and pencil beam scanning proton beamlines at our institution.

The TOPAS/Geant4 MC model of the clinical nozzle has been comprehensively validated against measurements. The validation also included a comparison between simulated clinical treatment plans for four representative patients and the clinical treatment planning system (TPS). Moreover, an in-house tool implemented in Python was tested to assess the variable RBE-weighted dose in proton plans, which was illustrated for a patient case with a developing radiation-induced toxicity.

The simulated range and modulation width closely matches the measurements. Gamma-indexes (3%/3mm 3D), which compare the TPS and MC computations, showed a passing rate superior to 98%. The calculated RBE-weighted dose presented a slight increase at the necrosis location, within the PTV margins. This indicates the need for reporting on the physical and biological effects of irradiation in high dose regions, especially at the healthy tissues and increased LET distributions location.

The results demonstrate that the Monte Carlo method can be used to independently validate a TPS calculation, and to estimate LET distributions. The features of the in-house tool can be used to correlate LET and RBE-weighted dose distributions with the incidence of radiation-induced toxicities following proton therapy treatments.

Les simulations Monte Carlo (MC) peuvent être utilisées pour évaluer avec précision les distributions de dose et transferts d’énergie linéiques (TEL), ainsi que l’efficacité biologique relative (EBR) des protons. Nous présentons ici le développement et la validation d’un outil de modélisation Monte Carlo des lignes de faisceau de protons diffusés et balayés de notre institut.

Le modèle TOPAS/Geant4 MC de la salle d’irradiation a été validé de manière extensive par rapport aux mesures. La validation a consisté également en une comparaison des plans de traitement cliniques simulés et du TPS (treatment planning system) pour quatre patients représentatifs. Un outil interne développé en Python a également été utilisé pour estimer automatiquement la dose pondérée par l’EBR dans les plans de traitements, et testé pour un patient présentant une toxicité radio-induite.

Les parcours et modulation simulés sont en bon accord avec les mesures, et les indices gamma 3D-3 %/3mm comparant TPS et MC sont supérieurs à 98 %. La dose pondérée par l’EBR est légèrement augmentée à l’emplacement de la nécrose, démontrant l’intérêt de modéliser la dose physique et biologique dans les régions à forte dose, en particulier au niveau des tissus sains et des distributions de TEL accrues.

Les résultats démontrent que les méthodes de simulations Monte Carlo peuvent être utilisées pour valider indépendamment le TPS et estimer les distributions de TEL. Les modélisations obtenues pourront être utilisées pour des études plus exhaustives de corrélation des doses pondérées par le TEL ou l’EBR et l’incidence de la toxicité radio-induite.